从斜边长为l的一切直角三角形中,求有最大周长的直角三角形.
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查约束条件下求极值的能力,涉及拉格朗日乘数法的应用,以及直角三角形的基本性质。
解题核心思路:
- 明确目标:在斜边固定为$l$的直角三角形中,求周长最大值。
- 转化问题:周长最大等价于两条直角边之和$x + y$最大,约束条件为$x^2 + y^2 = l^2$。
- 方法选择:使用拉格朗日乘数法构造函数,求解极值点。
- 关键结论:当两条直角边相等时,即$x = y = \frac{l}{\sqrt{2}}$,周长取得最大值。
破题关键点:
- 约束条件的转化:将几何条件转化为代数方程。
- 对称性分析:通过拉格朗日乘数法或三角函数参数化,发现对称情况下($x = y$)取得极值。
步骤1:设定变量与目标函数
设直角三角形的两条直角边为$x$和$y$,斜边为$l$,则周长为$P = x + y + l$。
由于$l$固定,只需最大化$x + y$,约束条件为$x^2 + y^2 = l^2$。
步骤2:构造拉格朗日函数
引入拉格朗日乘数$\lambda$,构造函数:
$G(x, y, \lambda) = x + y + \lambda(x^2 + y^2 - l^2)$
步骤3:求偏导并解方程
对$x$、$y$、$\lambda$分别求偏导并令其为零:
$\begin{cases}\frac{\partial G}{\partial x} = 1 + 2\lambda x = 0 \\\frac{\partial G}{\partial y} = 1 + 2\lambda y = 0 \\\frac{\partial G}{\partial \lambda} = x^2 + y^2 - l^2 = 0\end{cases}$
步骤4:解得极值点
由前两式得$1 + 2\lambda x = 0$和$1 + 2\lambda y = 0$,解得$x = y$。
代入约束条件$x^2 + y^2 = l^2$,得$2x^2 = l^2$,即$x = y = \frac{l}{\sqrt{2}}$。
步骤5:验证最大值
此时$x + y = \frac{2l}{\sqrt{2}} = l\sqrt{2}$,周长$P = l\sqrt{2} + l = l(1 + \sqrt{2})$。
通过边界分析可知,当$x$或$y$趋近于$0$时,$x + y$趋近于$l$,故$l(1 + \sqrt{2})$为最大值。